永定河京津冀段底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)特征及水生態(tài)健康評(píng)價(jià)

孟翠婷,郎 琪,雷 坤,程全國(guó)*,李 秀

(1.沈陽(yáng)大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110044;2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 水生態(tài)環(huán)境研究所,北京 100012)

河流生態(tài)系統(tǒng)與人類(lèi)的生活息息相關(guān),隨著社會(huì)的快速發(fā)展,河流生態(tài)系統(tǒng)也發(fā)生巨大變化[1],生境破壞、水質(zhì)惡化等問(wèn)題更加突出,嚴(yán)重影響河流生態(tài)系統(tǒng)[2].協(xié)調(diào)人類(lèi)活動(dòng)與河流生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)系,提高人民的生存質(zhì)量是當(dāng)前全球迫切需要研究和解決的問(wèn)題.底棲動(dòng)物是淡水生態(tài)系統(tǒng)中最穩(wěn)定的生物類(lèi)群,它們的群落特征和季節(jié)性動(dòng)態(tài)變化能準(zhǔn)確反映河流生態(tài)系統(tǒng)變化規(guī)律[3],相對(duì)于其他水生生物,底棲動(dòng)物具有活動(dòng)范圍小、易鑒定、對(duì)環(huán)境變化較為敏感等特點(diǎn)[4-5],開(kāi)展底棲動(dòng)物的采集對(duì)棲息地生境影響小,不會(huì)破壞其結(jié)構(gòu),且可以為河流健康研究提供有利信息,是最理想的指示生物[6].因此,研究水生態(tài)系統(tǒng)大型底棲動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)特征可有效反應(yīng)棲息地質(zhì)量狀況,可作為河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)體系的重要依據(jù).

基于底棲動(dòng)物評(píng)價(jià)河流健康的研究被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注,Kerans等[7]最早通過(guò)底棲動(dòng)物生物完整性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(benthic index of biotic integrity,B-IBI)進(jìn)行河流健康評(píng)價(jià),該方法體系也是美國(guó)環(huán)保署(EPA)重點(diǎn)推薦的河流健康評(píng)價(jià)體系[8].我國(guó)在利用底棲動(dòng)物評(píng)價(jià)河流健康方面有大量研究,主要集中在長(zhǎng)江流域[9-10]、遼河流域[11-12]、太湖[13]、北運(yùn)河流域[14-15]及永定河流域[16]也開(kāi)展了底棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)工作,并將其作為河流水生態(tài)健康評(píng)價(jià)的重要組成部分,穆林青等[16]研究發(fā)現(xiàn),永定河底棲動(dòng)物生物完整性較差,流域底棲動(dòng)物群落呈現(xiàn)退化的趨勢(shì).本文對(duì)永定河流域京津冀區(qū)域大型底棲動(dòng)物開(kāi)展調(diào)查,分析水環(huán)境特征和底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)特征,明晰生境差異對(duì)底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的影響,以便更加精準(zhǔn)地分析水生態(tài)健康狀況,以期為水生態(tài)治理與修復(fù)與水環(huán)境管理提供技術(shù)支撐.

1 研究方法

1.1 調(diào)查與采樣

于2020年9月秋季在永定河流域京津冀段進(jìn)行了大型底棲動(dòng)物和環(huán)境因子調(diào)查,共布設(shè)30個(gè)采樣點(diǎn),點(diǎn)位布設(shè)參考國(guó)控?cái)嗝?主要在桑干河、洋河、永定河干流、官?gòu)d水庫(kù)、友誼水庫(kù)上下游及各支流匯入點(diǎn)布設(shè)點(diǎn)位(見(jiàn)圖1).

圖1 永定河流域京津冀段采樣點(diǎn)位分布Fig.1 Distribution of sampling points in Beijing-Tianjin-Hebei region of Yongding River Basin

調(diào)查中使用水質(zhì)分析儀(YSI Pro2000)以及相關(guān)便攜式儀器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定pH值、電導(dǎo)率、溶解氧、水溫、鹽度等環(huán)境因子.氨氮、氟化物、總?cè)芙夤腆w(TDS)和硝酸鹽質(zhì)量濃度等環(huán)境參數(shù)的采集和分析方法按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》相關(guān)規(guī)定執(zhí)行.生物指標(biāo)的篩選、敏感性檢驗(yàn)等分析在SPSS 22中完成.

1.2 B-IBI評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

1.2.1 參照點(diǎn)的選取原則

選擇適宜參照點(diǎn)是B-IBI評(píng)價(jià)體系的基礎(chǔ)[17],目前參照點(diǎn)的選取標(biāo)準(zhǔn)存在較大爭(zhēng)議[18],通常將棲息地質(zhì)量評(píng)分(qualitative habitat evaluation index,QHEI)作為選取參考點(diǎn)的重要標(biāo)準(zhǔn)[19],本研究根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況,綜合考慮水質(zhì)、QHEI評(píng)分和人為干擾狀況[20]選擇參照點(diǎn).QHEI評(píng)分參考鄭丙輝等[19]提出的經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)分,對(duì)堤岸自然性、植被多樣性等10項(xiàng)參數(shù)分別評(píng)分(評(píng)分范圍為0～20).

1.2.2 指標(biāo)篩選

指標(biāo)篩選參考張遠(yuǎn)等[11]的方法,候選指標(biāo)(見(jiàn)表1)采用標(biāo)準(zhǔn)化方法篩選核心參數(shù),這些指標(biāo)可以綜合反映群落豐富度、水質(zhì)狀況以及群落多樣性,從而有效地反映和評(píng)價(jià)水生態(tài)健康狀況.主要包括以下3個(gè)步驟.

表1 永定河流域河流生物完整性評(píng)價(jià)候選指數(shù)Table 1 Candidate parameters for assessment of river biological integrity in Yongding River Basin

1)分布范圍分析.對(duì)候選參數(shù)在所有點(diǎn)位中的分布頻率進(jìn)行分析,剔除分布范圍較小或者零值過(guò)多的指標(biāo)(≥95%),余下的指標(biāo)進(jìn)入下一步分析.

2)判別能力分析.根據(jù)Barbour等[8]的研究,采用箱線圖法選擇能最佳區(qū)分參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的參數(shù);箱體表示25%～75%分位數(shù)值分布范圍(IQ)情況.參照點(diǎn)和受損點(diǎn)中位數(shù)均在對(duì)方箱體之外的參數(shù)方可通過(guò)篩選,進(jìn)行下一步研究.

3)相關(guān)性分析.對(duì)保留的參數(shù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析,當(dāng)|r|≥0.75時(shí),表明參數(shù)相關(guān)性較高,所反映的信息重疊較多,選擇其中1個(gè)參數(shù)即可反映出參數(shù)所表達(dá)的大部分信息,經(jīng)過(guò)以上步驟,可以選出構(gòu)成B-IBI體系的生物指標(biāo).

1.2.3 IBI得分計(jì)算

參考孔凡青等的研究[21],選用比值法計(jì)算IBI得分,具體方法如下:

式中:Vi′為標(biāo)準(zhǔn)化后的參數(shù)值;V95%為參數(shù)的95%分位數(shù);Vi為參數(shù)值;Vmax為參數(shù)的最大值;V5%為參數(shù)的5%分位數(shù).

干擾越強(qiáng)而數(shù)值越小的參數(shù),以95%分位數(shù)為最佳期望值,利用式(1)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化;干擾越強(qiáng)而數(shù)值越大的參數(shù),則以5%分位數(shù)為最佳期望值,利用式(2)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化.

1.2.4 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃分原則

采用比值法計(jì)算指數(shù)的分值.以參照點(diǎn)位B-IBI指數(shù)值分布的25%分位數(shù)進(jìn)行健康等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分,25%分位數(shù)為最佳值,低于該值的指數(shù)分為5等分,從大到小依次為:健康、較好、一般、較差、差.

1.2.5 適用性驗(yàn)證

參考《河流水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)指南》進(jìn)行適用性驗(yàn)證,參考點(diǎn)“健康”與“較好”比例不低于60%方可通過(guò)適用性驗(yàn)證.

2 結(jié)果與分析

2.1 水環(huán)境理化特征分析

棲息地質(zhì)量評(píng)分見(jiàn)圖2.采樣點(diǎn)點(diǎn)位QHEI偏低,豐、平水期QHEI在39～80分之間,永定河流域河流受干擾程度較嚴(yán)重;QHEI空間差異性表明流域區(qū)域生境狀況差異較大,官?gòu)d山峽段和桑干河上游QHEI較高,生境狀況較好,洋河段和平原段QHEI較低,棲息地生境受人為破壞較嚴(yán)重.

圖2 棲息地質(zhì)量評(píng)分(QHEI)Fig.2 Qualitative habitat evaluation index(QHEI)

2.2 群落結(jié)構(gòu)特征

底棲動(dòng)物物種分布和物種種類(lèi)見(jiàn)圖3和表2,底棲動(dòng)物多樣性特征指數(shù)見(jiàn)圖4,共采集到底棲動(dòng)物3門(mén)6綱34種,其中昆蟲(chóng)綱12種,占35.29%,軟甲綱、瓣鰓綱、寡毛綱各2種,各占5.88%,腹足綱15種,占44.12%,蛭綱1種,占2.95%;底棲動(dòng)物分布特征存在明顯的空間差異性,物種數(shù)在B4點(diǎn)位官?gòu)d山峽段最高,物種數(shù)最低的點(diǎn)位位于平原段;多樣性等指數(shù)在官?gòu)d山峽段高于洋河段和平原段.這與賀玉曉等[22]的研究結(jié)果較一致.

表2 底棲動(dòng)物種類(lèi)Table 2 Species of benthos

圖3 底棲動(dòng)物物種數(shù)Fig.3 Number of species in normal season and wet season

圖4 底棲動(dòng)物多樣性特征指數(shù)Fig.4 Benthos animal diversity characteristic indexes

2.3 IBI評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3.1 參照點(diǎn)選取結(jié)果

根據(jù)實(shí)地調(diào)研情況,結(jié)合QHEI、水質(zhì)狀況和人為干擾程度,本研究篩選了7個(gè)點(diǎn)位為參照點(diǎn),其余為受損點(diǎn)位.參照點(diǎn)位位于山區(qū),受損點(diǎn)位位于農(nóng)田與城市周邊.

2.3.2 指標(biāo)篩選結(jié)果

經(jīng)判別能力分析,BI指數(shù)、多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)3個(gè)參數(shù)參照點(diǎn)和受損點(diǎn)中位數(shù)均位于對(duì)方箱體之外,通過(guò)篩選,且以上指標(biāo)均通過(guò)相關(guān)性分析|r|≤0.75,進(jìn)入下一步分析.

2.3.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

以參照點(diǎn)位B-IBI得分值分布的25%分位數(shù)作為河流“健康”評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),共分為5個(gè)等級(jí),見(jiàn)表3.

表3 水生態(tài)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Evaluation criteria of water ecological health

2.4 永定河流域河流健康評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖5,京津冀段水生態(tài)健康狀況不佳,且具有明顯的空間差異性,近半數(shù)點(diǎn)位處于“差”和“較差”的狀況,健康與較好比例僅占33.3%,其中,“較差”的狀況占比為33.3%,“較好”占23.3%,“一般”和“差”各占16.7%,評(píng)價(jià)結(jié)果為“健康”的點(diǎn)位僅占10.0%;評(píng)價(jià)結(jié)果為“健康”和“較好”的狀況位于桑干河段和官?gòu)d山峽段,評(píng)價(jià)結(jié)果為“差”和“較差”的狀況位于洋河段和平原段.根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果,官?gòu)d山峽段和桑干河段整體健康狀況較好,洋河段和平原段健康狀況不佳,亟需開(kāi)展河道治理與生態(tài)修復(fù).

圖5 永定河流域水生態(tài)健康評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.5 Evaluation results of water ecological health in Yongding River Basin

2.5 適用性驗(yàn)證

經(jīng)驗(yàn)證,參照點(diǎn)的區(qū)分效率為85.7%(>60%),通過(guò)適用性驗(yàn)證,表明本研究所構(gòu)建B-IBI體系適宜進(jìn)行京津冀區(qū)域水生態(tài)健康評(píng)估.

3 討 論

為識(shí)別永定河北京段水生態(tài)健康狀況,對(duì)永定河京津冀段30個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行了底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)特征分析與B-IBI健康評(píng)價(jià),結(jié)果表明,底棲動(dòng)物存在明顯的空間差異性;生物多樣性區(qū)域性差異顯著且水生態(tài)健康狀況不佳.這與賀玉曉等[22]、穆林青等[16]的研究結(jié)果較一致.永定河水生態(tài)狀況整體較差,主要原因可能是近幾十年以來(lái),降雨量減少,永定河流域自上而下修建了大量水庫(kù),攔截水量[23],造成河流匯流緩慢、水量銳減、水污染加劇,進(jìn)而造成區(qū)域生態(tài)嚴(yán)重退化、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率低.

4 結(jié) 論

1)永定河流域河流受干擾程度較嚴(yán)重,大部分點(diǎn)位QHEI偏低,豐、平水期QHEI在39～80分之間,平均值為62.69.

2)永定河京津冀段水生態(tài)狀況較差且具有明顯的空間差異性,共采集到底棲動(dòng)物3門(mén)6綱34種,其中腹足綱最多,占總物種數(shù)的44.12%,其次是昆蟲(chóng)綱,占35.29%;豐富度指數(shù)和物種數(shù)在上游和下游差異較大,生物多樣性區(qū)域性差異顯著.

3)永定河京津冀段水生態(tài)健康狀況不佳,“健康”和“較好”比例不足50%;水生態(tài)健康狀況具有明顯的空間差異性,官?gòu)d山峽段和桑干河段整體健康狀況較好,洋河段和平原段健康狀況不佳,亟需開(kāi)展河道治理與生態(tài)修復(fù).

致 謝感謝水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2018ZX07111)提供的資金支持.